(57)【要約】【課題】模型飛行機などの物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを廉価な装置を用いて検出する。【解決手段】所定の物体に対して光学センサを取り付け、前記光学センサを用いて、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出し、第１のパラメータベクトルとする。次いで、前記物体に対して参照軸を設け、第２のパラメータベクトルとする。次いで、地上に対する前記太陽の位置を第３のパラメータベクトルとするとともに、地上に対する前記参照軸の位置を第４のパラメータベクトルとする。次いで、前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関を導出し、前記第１のパラメータベクトルから前記第４のパラメータベクトル、及び前記相関に基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の物体に対して光学センサを取り付ける工程と、
前記光学センサを用いて、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出し、第１のパラメータベクトルとする工程と、
前記物体に対して参照軸を設け、第２のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記太陽の位置を第３のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記参照軸の位置を第４のパラメータベクトルとする工程と、
前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関を導出する工程と、
前記第１のパラメータベクトルから前記第４のパラメータベクトル、及び前記相関に基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する工程と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜計測方法。
【請求項２】
前記光学センサは、二次元位置検出器と、この二次元位置検出器上に設けられた所定のピンホールを有するカバーとを具えることを特徴とする、請求項１に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項３】
前記光学センサは、前記二次元位置検出器及び前記カバーとの間に、凸面を下方にして設けられた半球レンズを具え、前記光学センサに対して低角度で入射する太陽光を受光するようにしたことを特徴とする、請求項２に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項４】
前記光学センサによる前記太陽の位置の幾何学的算出は、前記光学センサに対する太陽光の方位角ψ及び仰角θに基づいて行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項５】
前記参照軸は、前記物体に対して取り付けた加速度センサによる重力加速度の方向であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項６】
前記参照軸は、前記物体に対して取り付けた地磁気センサによる極方向であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項７】
前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関は、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列によることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項８】
前記物体の前記地上に対する前記絶対的な傾斜度合いは、前記座標軸の各軸回りの回転角度α、β、γで規定されることを特徴とする、請求項７に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項９】
前記回転行列を
【数１】
2005326172.tif 000017
で規定した場合において、前記物体の前記傾斜度合いを表す前記回転角度α、β及びγは、
【数２】
2005326172.tif 000018
【数３】
2005326172.tif 000019
【数４】
2005326172.tif 000020
で表されることを特徴とする、請求項８に記載の光学式傾斜計測方法。
【請求項１０】
所定の物体に対して取り付けられ、第１のパラメータベクトルとしての前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出するための光学センサと、
前記物体に対する参照軸を規定するための参照軸規定手段と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜センサ。
【請求項１１】
前記光学センサは、二次元位置検出器と、この二次元位置検出器上に設けられた所定のピンホールを有するカバーとを具えることを特徴とする、請求項１０に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１２】
前記光学センサは、前記二次元位置検出器及び前記カバーとの間に、凸面を下方にして設けられた半球レンズを具え、前記光学センサに対して低角度で入射する太陽光を受光するようにしたことを特徴とする、請求項１１に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１３】
前記光学センサによる前記太陽の位置の幾何学的算出は、前記光学センサに対する太陽光の方位角ψ及び仰角θに基づいて行うことを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１４】
前記参照軸規定手段は、前記物体に取り付けられ、前記物体における参照軸としての重力加速度の方向を導出するための加速度センサであることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１５】
前記参照軸規定手段は、前記物体に取り付けられ、前記物体における参照軸としての極方向を導出するための地磁気センサであることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１６】
地上に対する前記太陽の位置を第３のパラメータベクトルとして導出するための太陽位置検出手段を具えることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１７】
地上に対する前記参照軸の位置を第４のパラメータベクトルとして導出するための参照軸検出手段を具えることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項１８】
前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関を導出し、前記第１のパラメータベクトルから前記第４のパラメータベクトル、及び前記相関に基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する演算手段を具えることを特徴とする、光学式傾斜センサ。
【請求項１９】
前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関は、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列によることを特徴とする、請求項１８に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項２０】
前記物体の前記地上に対する前記絶対的な傾斜度合いは、前記座標軸の各軸回りの回転角度α、β、γで規定されることを特徴とする、請求項１９に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項２１】
前記回転行列を
【数５】
2005326172.tif 000021
で規定した場合において、前記物体の前記傾斜度合いを表す前記回転角度α、β及びγは、
【数６】
2005326172.tif 000022
【数７】
2005326172.tif 000023
【数８】
2005326172.tif 000024
で表されることを特徴とする、請求項２０に記載の光学式傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式傾斜計測方法、及び光学式傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
模型航空機の操縦においては、その機体の姿勢を維持することが重要である。従来、風による外乱に対しては、操縦者が目視にて傾斜を読み当て舵を打っていた。この方法では、最終的には、操縦者の目視によって外乱による機体の姿勢の傾斜を修正することになるが、機体が遠方にある場合には、目視自体が非常に困難になり、当て舵の操作量に過不足があったり、操作が遅れることがある。
【０００３】
一方、従来ジャイロセンサを傾斜に対する外乱を検出するために使用し、瞬間的な外力を打ち消す方向に舵を自動的に操作する手法がある。この方法では、瞬間的な傾斜の乱れに対しては有効であるが、ジャイロセンサは角加速度、すなわち回転させる外力の検出を行うものであり、これを２回積分することでどのくらい傾斜したかという回転角度の検出は可能であるが、その精度は極めて低い。さらに、ゆっくりとした（低周波）外乱に対しては誤差が累積し、有効に機能しないという欠点がある。このような問題に鑑み、光ファイバージャイロやリングレーザジャイロなどを使用することも検討されているが、これらは非常に高価であって、一般の模型航空機用センサとしては不適格である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、模型飛行機などの物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを廉価な装置を用いて検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の物体に対して光学センサを取り付ける工程と、
前記光学センサを用いて、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出し、第１のパラメータベクトルとする工程と、
前記物体に対して参照軸を設け、第２のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記太陽の位置を第３のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記参照軸の位置を第４のパラメータベクトルとする工程と、
前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトルの相関、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの相関を導出する工程と、
前記第１のパラメータベクトルから前記第４のパラメータベクトル、及び前記相関に基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する工程と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜計測方法に関する。
【０００６】
また、本発明は、
所定の物体に対して取り付けられ、第１のパラメータベクトルとしての前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出するための光学センサと、
前記物体に対する参照軸を規定するための参照軸規定手段と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜センサに関する。
【０００７】
本発明者らは、傾斜度合いを計測すべき物体に対して光学センサ及び参照軸規定手段を設け、それぞれ前記物体に対する太陽の位置及び参照軸を導出し、さらに所定の位置検出手段で前記太陽及び前記参照軸の地上に対する位置を導出し、これらの相関関係を用いるという全く新規な方法で前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを計測することに成功した。
【０００８】
本発明によれば、従来のような高価なジャイロセンサを使用しないので、前記導出に基づいて、模型飛行機などの物体の絶対的な傾斜度合いをリアルタイムで検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の光学式傾斜センサに用いる光学センサの好ましい態様を示す分解構成図である。図１に示す光学センサ１０は、二次元位置検出器１１と、この上方に設けられたピンホール１２Ａを有するカバー１２と、検出器１１及びカバー１２間において、凸部を下方にして検出器１１の上面と接触するようにして設けられた半球レンズ１３とを具えている。図１に示す光学センサ１０は、傾斜を計測すべき物体に取り付けられ、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出するために用いられる。
【００１１】
具体的には、カバー１２におけるピンホール１２Ａを介して太陽光を取り込み、二次元位置検出器１１で受光し、その二次元的な受光位置に対する前記太陽光の方位角及び仰角を導出することによって、前記物体に対する前記太陽の位置を幾何学的に算出する。
【００１２】
なお、半球レンズ１３は本発明においては必ずしも要求されるものではないが、光学センサ１０に対する太陽光の入射角（仰角）θが小さい場合、図２（ａ）に示すように、半球レンズ１３が存在しない場合においては、前記太陽光を二次元位置検出器１１で受光することができず、その結果、前記物体に対する前記太陽の位置を幾何学的に算出することができなくなってしまう。
【００１３】
一方、図２（ｂ）に示すように、半球レンズ１３が存在する場合においては、前記太陽光の入射角θが十分に小さい場合においても、前記太陽光の半球レンズ１３による屈折の効果によって、半球レンズ１３を透過後、前記太陽光は下方へ向けて屈折するようになるので、前記太陽光を二次元位置検出器１１で受光できるようになる。この結果、前記物体に対する前記太陽光の位置を幾何学的に算出することができるようになる。
【００１４】
次に、図１に示す光学センサ１０を用いた太陽位置の幾何学的算出方法について説明する。図３は、図１に示す光学センサ１０を用いた、前記太陽の、前記物体に対する方位角ψを導出する方法を説明するための図である。なお、図３においては、光学センサ１０を上方から見た様子を示している。また、方位角ψは、光学センサ１０の、ピンホール１２Ａを中心として互いに直交するＸＹ座標に関して定義される。
【００１５】
方位角ψと二次元位置検出器１１における太陽光の検出位置（ｘ，ｙ）とが、図３（ａ）及び（ｄ）に示すような関係にある場合、方位角ψと検出位置（ｘ，ｙ）とは、
【数１】
2005326172.tif 000002
なる関係式で表すことができる。
【００１６】
一方、方位角ψと二次元位置検出器１１における太陽光の検出位置（ｘ，ｙ）とが、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すような関係にある場合、方位角ψと検出位置（ｘ，ｙ）とは、
【数２】
2005326172.tif 000003
なる関係式で表すことができる。
【００１７】
図４は、図１に示す光学センサ１０を用いた、前記太陽の、前記物体に対する仰角θを導出する方法を説明するための図である。なお、図４においては、光学センサ１０を側方から見た様子を示している。太陽光が図４に示すように、仰角θで光学センサ１０に入射し、二次元位置検出器１１で検出位置（ｘ，ｙ）で受光される場合、仰角θは
【数３】
2005326172.tif 000004
なる関係式で表すことができる。ここで、ｈは半球レンズ１３の厚さであり、ｎ１は大気（空気）中の屈折率であり、ｎ２は半球レンズ１３の屈折率であり、ｒ＝（ｘ２＋ｙ２）１／２である。
【００１８】
このようにして、前記物体に対する前記太陽の位置が方位角ψ及び仰角θによって定義され、前記物体に対する前記太陽のベクトル（第１のパラメータベクトル）
2005326172.tif 000005
を導出することができる。
【００１９】
本発明の光学式傾斜センサは、図１に示す光学センサに加えて参照軸規定手段を具える。この参照軸規定手段は、前記物体に対して光学センサ１０同様に取り付けられ、前記物体に対して参照軸を設定する。前記参照軸規定手段は、例えば加速度センサから構成することができ、この場合、前記参照軸としては前記物体に対する重力加速度の方向を規定することになる。また、前記参照軸規定手段は、例えば地磁気センサから構成することができ、この場合、前記参照軸としては前記物体に対する極方向を規定することになる。
【００２０】
なお、前記加速度センサ及び前記地磁気センサとしては、汎用のものを用いることができる。
【００２１】
このように、前記物体に対して、加速度センサ又は地磁気センサなどの参照軸規定手段を設けることにより、前記物体に対する重力加速度の方向又は極方向などの参照軸（第２のパラメータベクトル）
2005326172.tif 000006
を導出することができる。
【００２２】
一方、地上を基準とした座標系ＸＹＺでの太陽の位置ベクトル（第３のパラメータベクトル）を
2005326172.tif 000007
とし、前記参照軸の位置ベクトル（第４のパラメータベクトル）を
2005326172.tif 000008
として、前記物体の、前記座標系ＸＹＺにおける各軸回りの回転角度をα、β、γとすると、前記第１のパラメータベクトル及び前記第３のパラメータベクトル、並びに前記第２のパラメータベクトル及び前記第４のパラメータベクトルの間には、
【数４】
2005326172.tif 000009
【数５】
2005326172.tif 000010
なる関係式が成立する。なお、Ｒは回転行列であり、
【数６】
2005326172.tif 000011
なる関係式が成立する。
【００２３】
また、前記第１のパラメータベクトル及び前記第２のパラメータベクトルは、互いに重なり合うことなく、さらに前記第２のパラメータベクトルが不変であるとき、これらパラメータベクトルの外積ベクトル（Ｉ式）を考えると、
【数７】
2005326172.tif 000012
なる関係式が成立し、これより、回転行列Ｒは、
【数８】
2005326172.tif 000013
なる関係式で算出することができる。
【００２４】
この場合、第１のパラメータベクトル（Ｅ式）から第４のパラメータベクトル（Ｈ式）、及び外積ベクトル（Ｉ式）は既知となるから、（８）式より回転行列Ｒを算出することができ、この結果、前記物体の、前記地上に設けた前記座標系ＸＹＺにおける各軸回りの回転角度α、β、γは以下のような関係式で算出することができるようになる。
【数９】
2005326172.tif 000014
【数１０】
2005326172.tif 000015
【数１１】
2005326172.tif 000016
【００２５】
したがって、前記物体の、前記座標系ＸＹＺの各軸回りの回転角度、すなわち（９）〜（１１）式より、前記物体の、前記地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出することができるようになる。
【００２６】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、模型航空機や無人ロボットの姿勢制御、自動航行に使用できる傾斜・方位センサなどとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の光学式傾斜センサに用いる光学センサの好ましい態様を示す分解構成図である。
【図２】半球レンズの有無による、太陽光の入射状態の相異を示す図である。
【図３】図１に示す光学センサを用いた、物体に対する太陽の方位角ψを導出する方法を説明するための図である。
【図４】図１に示す光学センサを用いた、物体に対する太陽の仰角θを導出する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  光学センサ
１１  二次元位置検出器
１２  カバー
１２Ａ  ピンホール
１３  半球レンズ
【図１】
2005326172.tif 000025
【図２】
2005326172.tif 000026
【図３】
2005326172.tif 000027
【図４】
2005326172.tif 000028